截面形状对双体船抗干扰性影响的研究
摘要
本文是Jacques B. Hadler等人提出的有关高速双体船工作的延续。在FAST#39;09中，船体形状为半椭圆截面形状，在一系列中心线间距内进行了测试。 Hadler等人将他们的测试结果与Molland等人的结果进行了比较。在RINA #39;95中，发现半椭圆形船体的剩余阻力明显低于Molland等人（2005）测试的船体。本文研究了这种观察到的干扰阻力下降的来源，是双体船剩余阻力的主要成分。为了尽量减少上述工作中测试的船体之间的差异，设计和建造了双体船模型，并使用Hadler等人使用的半椭圆截面形状。但是，模型具有和Molland等人测试的模型Model 5b相同的水线形状，截面面积分布和横梁面积。试验结果表明，片体的截面形状不仅对孤立的平面体的剩余阻力有显著的影响，而且对船体之间的干涉有相当大的影响。为了便于继续研究影响多体船的干扰效应，本文还包括了对计算流体动力学三维势流代码Aegir的评估。
关键词：双体船，多体船，干扰，阻力，计算流体力学，高速
概述
本文是Jacques B. Hadler等人提出的有关高速双体船工作的延续。 在FAST#39;09中，船体形式为半椭圆截面形状，在一系列中心线间距内进行了测试。 哈德勒等人的一个值得注意的结论是， FAST#39;09的论文，与USH Model 5b相比，半椭圆形船体双体船的干扰阻力显著降低。 然而，测试该FAST#39;09论文（Hadler等，2009）和USH模型Model 5b的半椭圆体具有不同的基本特征，这可能导致或促成了干扰阻力的减少。 本报告旨在调查美国海军扩展的国家物理实验室（NPL）船体形式与Jacques B. Hadler教授的半椭圆形船体形式之间的阻力差异。主要目的是确定半椭圆剖面形状是否与USH模型相比显著减少了剩余阻力，并确定这种减少是否是由干扰效应引起的。 次要目标是研究物理科学公司正在开发的用作比较设计工具CFD计划Aegir。
命名法
2.1 变量
B——船宽
C B——方形系数
C F ——摩擦阻力系数
C I ——干扰系数
C M——中横剖面系数
C P——棱形系数
C R ——剩余阻力系数
F nL ——长度弗劳德数
L ——垂线间长
LCB——浮心纵向中心
L /nabla;1/3——修长度系数
rho;——水的密度
S——片体中心线距离
S / L——分离率
WS——湿表面积
T——吃水
V——航速
nabla;——排水量
2.2缩写
CFD——计算流体力学
GMS——Gelles，Malarkey，Sarles（参考船体模型）
HCS——Hadler，Cain，Singleton（参考FAST2009年型号E Mod 2）
NPL——英国国家物理实验室
RMB——罗宾逊模型水池
USH——南安普顿大学
3.0干扰阻力
基线双体船阻力与单体阻力类似，因为每个非线性体都受到单体所经受的相同的摩擦，波浪和涡流阻力。 然而，双体船有一个额外的剩余阻力成分，这是由于片体之间的相互作用造成的。 当一艘双体船在水中移动时，每个片体都会产生一伴流。一个片体伴流可能和其他片体的伴流，或者是片体本身相互影响。这种相互作用的大小是通过测量在多体船配置下运行时船体剩余阻力的变化来确定的，而不是以单体船的形式运行。
3.1干扰现象
双体船干扰阻力有三个组成部分。 第一个主要组成部分是有利的和不利的波形叠加。根据叠加原理，空间和时间中给定点处的每个单独波的振幅之和就是合成的叠加振幅。波形叠加效应的关键是保持波系统要求能量的变化，因为波能量与幅度的平方成正比。很明显，不利干扰对船舶航行更为有利，但如Souml;ding所指出的那样，如果没有纵向错开就很难获得。
双体船干扰阻力的第二个组成部分就是片体的动态湿表面面积与单体的相比的变化。 当一个片体的尾迹改变另一个片体表面的波形，就发生了动态湿表面积效应。修改后的波形导致了动态湿表面积的变化。 船的阻力相应地改变。增加的润湿表面积增加了阻力，减小的润湿表面积降低了阻力。
双体船干扰阻力的第三个组成部分是由非均质层之间的流动引起的，其行为方式类似于受限制通道中的流动。 这个区域的限制导致流动加速，改变摩擦和剩余阻力。 摩擦阻力的变化是由于部分船体有效地在水中快速移动而引起的粘滞阻力的变化。 剩余阻力的增加是由每个片体的迎角造成的。 以与机翼相同的方式，水流在船体的一侧比另一侧流动更快，从而产生升力。
3.2决定干扰阻力的因素
对于USH船体形式以及本报告中研究的半椭圆形船体形式，可以合理确定单体摩擦阻力。由于具有相同的截面面积分布，假设单体波浪阻力对于两种船体形式都是相似的。 漩涡阻力也被认为是等效于横梁面积的结果。 单体阻力可以应用于每个消声器，而无量纲单体和双体船阻力之间的差异是干扰阻力。
4.0模型设计
为了确定单独的截面形状是否是减少的原因，使用USH Model 5b设计了一组新的非线性体，作为截面面积曲线和水线形状的基础。
4.1母型船
USH模型基于NPL高速圆形舱底排水船体系列，剖面形状如图1（a）所示。 图1（b）显示了半椭圆形船体剖面。 表1列出了USH Model 5b的主要细节。
4.2半潜船体设计程序
由于在FAST#39;05论文（2005）中介绍的工作，船体采用哈德勒开发的半椭圆形船体设计程序设计。 该计划得到了增强，以允许额外的用户输入以及对轮廓和水线形状进行更多定义的控制。 最终的船体设计具有与船体相同的长细比，截面面积分布和水线形状，分别如图2和图3所示。
5.0实验条件
5.1模型测试
所有的拖曳水池测试都在韦伯研究所的罗宾逊模型水池完成。在整个模型测试中进行的四次独立测量是：（1）模型阻力；（2）片体之间的侧向力，（3）模型纵倾；（4）模型的升沉。测试矩阵包括速度在长度傅汝德数从0.2到1.1变化、片体分离比S / L比率取为0.2,0.3,0.4和无穷值（单体）。这个测试矩阵被选择为允许直接与Hadler等（2009）和USH的结果进行比较，因为这与他们的模型测试中使用的矩阵相同。 有关设施和测试仪器的描述可以在Hadler等人的文章中找到。然而，为了收集更多关于片体间相互影响的信息，对双体船测试仪器进行了两处改变。 这些变化是去除尾部稳定杆和增加一个额外的力块，以记录片体上的侧向力。
对校准数据进行的不确定度分析显示了阻力和侧向力数据精确到大约plusmn;0.02 N，并且微调数据精确到大约plusmn;0.1 deg。
5.2 CFD测试
在坦克测试中使用的相同测试矩阵用于Aegir运行的模拟。 使用Aegir进行模拟的设置是根据应用科学的William Milewski博士和Brian Peterson的建议确定的。为了去除微小的几何形状，特别是半椭圆形船体和USH船体的龙骨厚度，对船体的形状进行了简化，这对船体的阻力影响不大，但会阻碍Aegir的解的收敛。边界条件强加在模型上以强化模型中心线的对称性，并将纵情和升沉固定到指定值以匹配模型测试结果。 为了减少测试每个速度和分离比所需的时间，程序仅限于一次迭代，纵倾和升沉固定为模型测试期间发现的情况，流动对称性在模型的中心线上执行。 只有在程序需要解决纵倾和升沉时才需要多次迭代，这在Aegir的能力范围内。 GMS模型和USH模型5b的静水阻力在与实验测试相同的F nL和S / L比率下计算。
6.0分析方法
6.1模型测试分析
使用William Froude首先开发的方法分析模型试验数据，以预测全尺寸船舶的阻力。
6.2 CFD分析
Aegir返回以下数据来预测船体上的稳态力：速度，动态湿表面积，位移体积，下沉量，纵倾，船体周围流动产生的力和力矩，以及力的估计和由船体粘度产生的瞬间。为了比较Aegir的结果与花钱计量的结果，需要对原始数据进行调整。 经典的弗劳德方法使用静态润湿表面积来计算摩擦阻力，并且由动态润湿表面积引起的摩擦阻力的变化被认为是剩余阻力的一部分。 可以使用C F计算摩擦阻力的增加，然后使用方程（1）进行尺寸化。
在这个公式中，动态WS是由Aegir计算的湿表面积，静态WS是静止时船体的湿表面积，R WS是动态湿表面的阻力增加。 Aegir的经调整的剩余阻力是计算的波阻和R WS的总和。 然后使用静态润湿表面积对调整的剩余阻力进行无量纲化以找到调整的C R。 将这一调整的C R与模型试验结果进行比较并用于计算干扰阻力。
6.3干扰阻力
本报告的主要重点是片体之间的干扰阻力。 它是双体船相对于两个结合的片体的阻力的变化。 就本报告而言，干扰阻力系数将被定义为双体船C R与单一demihull的C R之间的差异百分比。 参见等式（2）。
7.0结果
7.1水池测试结果
四个S / L比率的总阻力结果如图4所示。值得注意的是，随着S / L下降，0.5附近的阻力峰值稳定增加。
每个S / L的C R值如图5所示。四个不同的配置在F nL大于0.75时收敛到大致相同的剩余阻力。 这个图中有两个有趣的点。 首先，随着S / L的下降，阻力峰值稳定上升并出现在较高的F nL。 其次，具有非限定性S / L的构型对于峰值阻力范围之外的F nL值具有较低的剩余阻力。
限定S / L配置的干扰阻力如图6所示。
测量的纵倾和升沉结果分别在图7和图8中给出。 这些结果说明了由片体之间 的推论引起的对双体船运行状态的主要影响。 Hadler等人 （2009年）表明减少片体纵倾可以显著减少其干扰阻力。 0.2和0.4的两种S / L结构在较高速度下表现出减小的纵倾，这可以解释在高速下对于这些结构所观察到的剩余阻力的减少的一部分。 升沉结果表明动态升力开始发生的速度随着S / L的减小而减小。 由这种动态升力引起的动态湿表面积减小，抵消了高速下波浪阻力的大幅增加，这是由于非线性结构的叠加造成的。。
图9显示了双体船外壳之间的无量纲侧向力。这些结果表明，在将船体拉到一起并将它们推开之间的速度范围内，潜艇上的侧向力会交替出现。 力的变化方向表示船体之间的流动条件发生变化，使得在一定范围的速度下优化具有不对称非均质船体的双体船变得更加困难。
7.2 CFD计算结果
使用CFD程序Aegir分析USH船体形式和GMS船体形式。
7.2.1变量结果
为了确定它们的有效性，将计算的电阻直接与模型测试结果进行比较。这些图的示例在图10和图1中给出。 图10显示了半椭圆形船体形式的单体C R值。 该图显示从Aegir获得的结果与感兴趣的速度范围的水池测试结果很好地联系，F nL大于0.5。 低FnL下油罐试验值的差异可归因于在较低速度下模拟不稳定横梁流时遇到的困难。 尽管低F nL时计算电阻值的差异表明需要进一步研究低速横梁流模型，但目前对双体船的兴趣集中在计算和测量的阻力相关性良好的高速域。
USH双体船的C R值与S / L等于0.3的结果比较如图11所示。结果显示在感兴趣的速度范围内具有良好的相关性。 然而，在Aegir的所有结果中，Aegir对剩余阻力的估算值都低于实际值，但这种趋势出现在Aegir的所有结果中，并且可能归因于在这些速度下发生的大量喷射以及潜在流动代码的无能以解释喷雾问题。
7.2.2CFD预测干扰阻力
这项研究的次要目的是确定Aegir是否可以有效地用作比较设计工具。 因此，它代表改变船体形状和结构的影响的能力至关重要。 GMS和USH船体干扰阻力的模型试验结果以及Aegir对GMS和USH船体干扰阻力的估算结果如图13所示。虽然模型试验的结果与 Aegir在数值上并不对齐，但是这两个结果都表明与USH船体相比，GMS船体的干扰阻力降低。由于数值不同，但趋势相似，Aegir可以被认为是一种有效的工具，可用于确定船体形式变化对抗干扰性的定性影响。
8.0 之前研究的结果比较
将单体和双体船水池的测试结果与USH模型和HCS模型的测试结果进行比较。该比较是针对C R和抗干扰性进行的。此外，GMS模型的纵倾和升沉与USH模型的纵倾和升沉相比较。选择0.3的S / L来说明比较的结果，因为许多现代双体船，如快速渡轮，S / L比率在0.25和0.3之间。对于下面的数字，重要的是要注意，只有F nL大于0.5才是高速双体船感兴趣的。因此，在较低FnL发生的奇怪关系和趋势与比较无关并且被忽视。尽管与USH和HCS船体相比，GMS demihulls作为单体具有增加的剩余阻力，参见图14，但它们在双体船配置中具有比USH模型更少的剩余阻力，参见图15.然而，它们不显示为HCS船体的剩余阻力大大降低。
GMS船体表现出的干扰阻力低于USH或HCS船体的干扰阻力。 参见图15.最重要的是，GMS双体船在较高的F nL下与单体相比C R减少，而USH和HCS设计则不然。
由于纵倾和升沉影响水线的形状和湿表面积，因此将G
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